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软土地基桩基受力性状和沉降特性试验与理论研究

张乾青  
【摘要】:桩基础是一种常见的基础型式,已被广泛应用于高层建筑、高速铁路、高速公路、桥梁、港口码头、大型构筑物等工程中。已有研究表明,钻孔灌注桩使用过程中存在着桩端沉渣、桩端持力层扰动、桩身质量、桩侧泥皮及钻孔应力松弛等而导致同一场地钻孔灌注桩承载力离散的问题。钻孔灌注桩的受力性状有待深入研究。本文通过现场试验和理论分析对软土地基竖向荷载作用下单桩和群桩的受力性状展开研究。本文主要工作及创新成果如下: 1.对温州鹿城广场钻孔施工时穿越约40m巨厚卵石层的超长嵌岩桩的施工方法和软土地基大吨位静载试验方案的设计展开了研究,并对超长桩的荷载-沉降性状、桩身压缩规律、桩侧阻力和桩端阻力的发挥特性、桩端沉渣对端阻的影响等进行了深入研究。研究表明,在最大加载条件下,超长桩表现为端承摩擦桩性状。在使用荷载下,桩顶沉降的90%以上来自桩身压缩,在进行超长桩设计时,要充分考虑桩身质量对试桩沉降的影响。同时,桩底沉渣清除的干净与否,也直接影响超长桩的沉降。超长桩桩侧上部土层摩阻力具有不同程度的软化现象,而中下部土层侧摩阻力具有微弱的强化效应。 2.利用破坏和非破坏试桩的现场对比试验揭示了试桩未加载至破坏和试桩破坏时受力性状的异同。研究发现,最大试验荷载下非破坏性试桩浅层土侧阻完全发挥并出现侧阻软化趋势,而破坏性试桩全桩长范围侧阻均表现为软化性状。非破坏性试桩实测得到的桩端位移-桩端力曲线表现为硬化特性,而试桩破坏性试验中实测得到的桩端位移-桩端力曲线表现为软化特性。 3.通过现场试验研究了桩端下沉渣厚度不同以及桩端持力层不同时超长桩实测侧阻,阐述了桩端强度提高对侧阻的强化作用。研究发现,端阻和侧阻不是相互独立的,桩端土强度的提高对侧阻有强化作用,尤其是桩端附近的侧阻。桩端土成拱作用和桩端附近桩身压缩的侧胀作用引起的桩侧附近法向应力和桩端附近桩侧土黏聚力及桩-土界面摩擦角的增加是造成桩端土强度提高对侧阻强化作用的主要原因。 4.通过采用桩土共同作用设计方法的某工程实测数据,分析了基础底板下不同位置处桩顶反力、基础底板中钢筋内力及桩、土荷载分担比等。现场实测结果表明,大楼竣工时桩顶反力超过单桩极限承载力的50%,这和传统设计方法是不同的。随建筑层数的增加,土分担荷载的比例逐渐减少,装修完成时土承担了上部荷载的20%。大楼结顶时基础底板内钢筋实测应力很小,远低于钢筋所能承受的最大抗压值或抗拉值。 5.提出了三种单桩沉降简化计算方法。单桩沉降简化计算方法一中单桩桩顶沉降由桩端力引起的沉降,桩身压缩和桩侧阻力引起的沉降组成。单桩沉降简化计算方法二中采用双曲线模型模拟桩侧阻力与桩土相对位移间的关系,采用双折线模型模拟桩端位移与桩端阻力间的关系,运用迭代的方法得到了单桩受力性状。单桩沉降简化计算方法三采用侧阻软化荷载传递模型,同时假定桩端位移-荷载关系曲线符合双折线模型,运用二分法得到了单桩沉降。本文提出的单桩沉降简化计算方法可考虑地基土的成层性和非线性特性。 6.在单桩沉降简化计算方法的基础上,提出了3种群桩沉降计算方法。第一种群桩沉降计算等代墩法的关键是获得合理的单桩沉降值,并选择恰当的群桩与单桩沉降关系系数值ω。笔者根据粉土和软土中单桩和群桩模型桩的试验结果反算得到单桩与群桩沉降关系系数ω值约为0.25~0.45。第二种群桩沉降计算方法在桩-桩之间的相互作用假定为弹性的基础上,考虑群桩中的“加筋和遮帘效应”对两桩相互作用系数的影响,并区分桩身位移和桩端位移的相互影响,得到了一种两桩相互作用系数的计算方法,并将其应用到群桩沉降简化计算方法中。第三种群桩沉降计算方法中利用双曲线模型模拟桩侧阻力和桩土相对位移间的关系以及桩端位移-荷载关系。考虑群桩中各基桩的相互作用,得到了群桩中基桩侧阻和端阻双曲线荷载传递函数中各参数的确定方法,并将荷载传递法扩展到群桩受力性状的分析中,提出了一种可快速估算群桩中任一基桩受力性状的简化算法。 7.利用荷载传递法并结合剪切位移法分析了成层土中锚桩法静载试验时锚桩对试桩桩顶刚度的影响,并考虑了“加筋和遮帘效应”对试桩桩顶刚度的影响。算例分析表明,实际工程中需对锚桩法静载试验数据进行修正,否则会在一定程度上高估试桩的安全度,从而使得锚桩法静载试验中的试桩极限承载力偏于危险。 8.假定桩与桩相互作用为弹性,利用荷载传递法并结合剪切位移法分析了层状土中不同桩间的相互作用,并考虑了“加筋和遮帘效应”对群桩受力性状的影响。参数分析结果表明,两桩相互作用系数随桩间距和非受荷桩与受荷桩桩长的比值以及短桩直径的增大而减小,随桩土弹性模量比的增大而增加。


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